آشنایی با مفاهیم چاه آزمایی ـ بخش اول

● مقدمه و ضرورت چاه‌آزمایی
به محض حفر یک چاه در درون مخزن و آغاز استخراج سیال درون آن، تغییراتی در پارامتر‌های مخزنی مانند فشار، حجم سیال درون مخزن، گرانروی سیال و... ایجاد می‌شود. تغییر پارامتر‌های مخزن باعث تغییر رفتار مخزن مانند چگونگی فاز‌های سیال(مایع و گاز) درون مخزن، در نتیجه چگونگی فازهای سیال استخراج شده، میزان دبی و... می‌شود.
بنابراین با گذشت زمان و ادامه‌ی برداشت از مخزن، رفتار مخزن تغییر می‌کند. در واقع پارامترهای مخزن به نوعی تابع زمان هستند. عملیات چاه آزمایی (Well Testing) تجزیه و تحلیل رفتار مخزن و چاه بر اساس زمان است؛ نتایج حاصل از آن می‌تواند تأثیر زیادی در تشخیص مقادیر واقعی پارامترهای مخزنی داشته باشد، از این رو چاه آزمایی یکی از مهم‌ترین ابزار‌های مهندسان برای شناخت مخزن نفت محسوب می‌شود. به دست آوردن مقدار واقعی این تغییرات نقش عمده‌ای در ایجاد یک مدل دقیق و به روز از مخزن دارد.
در سال‌های ۱۹۵۰، چاه آزمایی به عنوان ابزاری برای شناخت رفتار واقعی مخزن در قبال تغییرات ایجاد شده‌ی درون چاه، وارد مهندسی نفت شد. مخزن نفت محیطی ناشناخته و بسیار ناهمگن است که تشخیص دقیق آن عملاً امکان پذیر نیست. با توجه به ویژگی‌های کلی مخزن، مدل‌های ریاضی اولیه‌ای برای تفسیر رفتار مخزن و چگونگی حرکت سیال در درون محیط‌های متخلخل مختلف از جمله محیط متخلخل مخازن شکافدار، وجود دارد. این مدل‌ها که اصطلاحاً مدل‌های ایده‌آل گفته می‌شوند، تا اندازه‌ای توانایی پیش‌بینی رفتار واقعی مخزن را دارند. پارامتر‌های مدل را باید پس از تطبیق با رفتار مخزن اصلاح کنند، تا رفتار مدل، رفتار واقعی مخزن را نشان دهد.
پس از انجام هرتست، روی مخزن واقعی، اطلاعات فشار و زمان را روی نمودارهایی (مختصات لگاریتمی، شبه لگاریتمی یا دکارتی) پیاده کرده و آن را بر اساس نمودار‌های مدل‌های اولیه تفسیرمی‌کنند و اطلاعاتی مانند نوع رژیم جریان(خطی، شعاعی، کره‌ای)، مساحت مخزن و... غیره را به‌دست آورند.
در حدود سال‌های ۱۹۷۰به بعد، محققین با ارائه کردن نمودارهای مدل (Type curves) فشار در برابر زمان، به تشخیص حالت‌های کلی شکل مخزن پرداختند که در تفسیر نمودارهای چاه‌آزمایی نقش بسیار زیاد و مهمی دارند.
نمودار‌های مدل نسبت به روش قبلی، جزئی تر و دقیق‌تر بوده و حالت‌های بیشتری را نشان می‌دهند، از این رو برای مهندس نفت این امکان ایجاد می‌شود که با اخذ اطلاعات مخزن و پیاده کردن داده‌های مربوط به آزمایش روی نمودار، نمودار بدست آمده از مخزن واقعی را با نمودارهای مدل (Type curves) منطبق کرده و براساس آن پارامترهای دیگر مهندسی مخزن (نفوذ‌پذیری، ضریب پوسته و....) را به دست ‌آورد، و یا درحالت عدم انطباق کامل با نمودار‌های مدل، برخی از پارامترهای نمودار مدل را تغییر داده تا بهترین نمودار بیان‌کننده‌ی حالت واقعی مخزن را شناسایی کند.
پس از این برای افزایش دقت، روش استفاده از نمودارهای مشتق ( نمودار مشتق فشار در برابر زمان ) ارائه شد. در واقع نمودار‌های مشتق نیز یک نوع نمودار مدل هستند که محاسبات مهندسی بر اساس آن‌ها بیشتر، در تأیید و تکمیل نتایج بدست آمده از نمودارهای مدل(Type curves) معمولی بکارمی‌رود. امروزه روش‌های مدرن‌تری درحال گسترش می‌باشند که Deconvolution نامیده می‌شوند.
در کشورما به دلیل اهمیت داشتن تولید روزانه، بستن چاه به مدت دو یا سه روز برای انجام تست تا حدود زیادی امکان‌پذیر نیست و یا خیلی سخت است به‌همین دلیل مجهز کردن چاه‌ها به سیستم‌های هوشمند (چاه هوشمند) برای ثبت فشار و زمان و دبی تولید می‌تواند تا حدودی مار از عملیات چاه‌آزمایی بی‌نیاز کند. یکی از نکات جالب درمورد چاه‌آزمایی این است که با استفاده از اطلاعات سه متغیر زمان، فشار و دبی تولیدی یا دبی تزریقی، اکثر پارامترهای مهندسی مخزن نظیر نفوذپذیری، ضریب پوسته، سطح تخلیه چاه (حجم مؤثر درتولید چاه، به بیان دیگر حجمی از مخزن که توسط هر چاه تخلیه می‌شود)، نوع مخزن (ساده یا ترکیبی) را به ‌دست می‌آورند.
قبل از ورود به مقوله چاه‌آزمایی به تعریف واژگان تخصصی به‌کار رفته در متن وتوضیحات کمی در مورد مخزن نفت را می‌پردازیم.
● واژگان تخصصی
▪ نفوذپذیری یا تراوایی:( Permeability)
توانایی سنگ برای عبوردهی سیالی (با گران‌روی مشخص و در فشار مشخص) از درون خلل و فرج خود را Permeability می‌گویند. نفوذ پذیری مطلق تنها به خصوصیات سنگ بستگی دارد، اما نفوذپذیری نسبی علاوه برخصوصیات سنگ، به خصوصیات سیال و درصد اشباع(سنگ از سیال) نیز بستگی دارد.
▪ پوسته:
فاصله نزدیک چاه که به دلیل عواملی،خواص فیزیکی خود را از دست داده باشد. این عوامل می‌تواند ورود آب از گل حفاری به داخل سازند یا عوارض حاصل از مشبک کاری (سوراخ کردن) و هم‌چنین آزادشدن گاز نزدیکی چاه، به دلیل افت فشار و هم‌چنین رسوب آسفالتین(نوعی نفت بسیار سنگین با گرانروی بسیار بالا) می‌تواند باشند. مقدار پوسته را با یک ضریب به اسم ضریب پوسته نشان می‌دهند.
▪ حرکت سیال درون محیط متخلخل
پس‌ از اکتشاف مخزن نظارت مهندسین مخازن آغاز شده و با بررسی ساختار فضایی مخزن شروع به عملیات حفاری در نقاط بهینه و مشخص شده‌ی مخزن می‌کنند. پس از تکمیل چاه، حرکت سیال به سمت چاه و تولید از مخزن آغاز می‌شود.
درک چگونگی نمودارهای چاه‌آزمایی، نیازمند شناخت کمی و کیفی حرکت سیال در محیط متخلخل است. ازاین رو سه ‌نمونه حرکت خطی(Linear)، شعاعی(Radial)، کروی(Spherical) برای سیال درون مخزن پیش‌بینی شده است که در شکل‌های زیر نشان داده می‌شود.
با استفاده از روابط قانون پایستگی جرم (که بیان می‌کند؛ جرم به‌وجود نمی‌آید و از بین هم نمی‌رود) و هم‌چنین قانون دارسی (که بیان‌کننده ارتباط میان سرعت خطی و گرادیان فشار(آهنگ تغییرات فشار بر حسب کم و یا زیاد شدن فاصله) می‌باشد)، مدل سازی ریاضی حرکت سیال در محیط متخلخل در هر یک از سه سیستم فوق به دست می‌آید که البته در به دست آوردن این معادلات تعداد فاز(جامد، مایع، گاز) و نوع سیال موجود درمخزن نیز تأثیرگذاراست.
● مرزهای مخزن
از مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار درحل مدل ریاضی حرکت سیال در محیط متخلخل نوع مرزهای مخزن است.
به دیواره‌ی چاه مرز داخلی گفته می‌شود، دورترین نقطه‌ی مخزن و به بیان دیگر حاشیه‌ی مخزن را مرز بیرونی مخزن می‌گویند.
▪ مرز داخلی: که به دوصورت می‌باشد:
۱) تولید با فشار جریانی ثابت
در این روش فشار را ثابت نگه می‌داریم و دبی تغییر می‌کند که راحت‌تر از روش دبی ثابت است.در این روش از Gauge هایی استفاده می‌شود که می‌توانند دبی برداشت را تغییر دهند. در مخازنی که خطر مخروطی شدن گاز یا آب وجود دارد، برای پیشگیری از وقوع این خطر، بیشتر از این روش استفاده می‌شود تا فشار مخزن تا حد زیادی حفظ شود.
۲) تولید با دبی جریانی ثابت
در این روش دبی جریان را با استفاده ازیک شیر(choke) که معمولا در مقابل محدوده‌ی مخزن و محلی که لوله‌ی جداری(Production casing) مشبک کاری قرار می‌دهند، ثابت نگه می‌دارند.
▪ مرز بیرونی:
که به سه صورت می‌باشد:
چنان‌که گفته شد مرز بیرونی به دورترین نقطه‌ی مخزن گویند، جریان سیال در ماقبل این مرز وجود دارد و در این مرز جریانی نخواهیم داشت.
مرز بیرونی نیز به سه صورت توضیح داده می‌شود.
۱) برای مخازن محدود که حجم مشخصی دارند، در مرز بیرونی افت فشار داریم.
۲) برای مخازنی که همراه با تأمین‌کننده قوی، نظیر محیط آبده یا کلاهک گازی با فشار بالا هستند که اجازه کاهش فشار را درسطح بیرونی مخزن نمی‌دهند، فشار درسطح بیرونی را برابر با فشار اولیه مخزن می‌گیرند، به بیان دیگر افت فشار نداریم.
۳) حالتی که مصرف ریاضی دارد، یعنی آن‌قدر مخزن را بزرگ فرض می‌کنیم که با میل کردن شعاع بیرونی به سمت بی‌نهایت، فشار برابر با فشار اولیه مخزن می‌شود و افت فشار نخواهیم داشت
● انواع تست‌های رایج
پس ازاین‌که به‌طورکیفی متوجه شکل مخزن ونوع حرکت سیال آن شدیم باید کمی درمورد چگونگی انواع آزمایش‌هایی که برروی چاه انجام می‌گیرد توضیح دهیم.
انواع تست‌هایی که برروی چاه‌های نفت انجام می‌شوند عبارتند از:
۱) Drawdown Test
Multiple Flow Test (۲
۳) Reservoir Limit Test
۴) Build up Test
۵) Injection Build up or Full Off Test
۶) Multiple Well interferences
۷) Drill stem Tests
هم‌چنین تست‌های زیربرای مخازن گازی انجام می‌گیرد:
۱) Back Pressure or flow after flow
۲) Isochronal test
۳) Modified Isochronal test
امروزه از Well test moduleنرم‌افزارهای Pan-System، CMG، Eclipse برای تحلیل اطلاعات حاصل از انجام تست‌های چاه استفاده می‌شود.
● تشریح کیفی بعضی از تست‌ها
▪ تست build up:
شرح این تست به این صورت است که چاهی که با یک دبی ثابت و مشخص تولید می‌کند را به‌طورکامل می‌بندند (عملاً تولید آن را متوقف کنیم) و سپس با یک ثبت‌کننده فشار، فشار ته چاه را اندازه‌ گرفته و آن را براساس زمان ثبت می‌کنند. با پیاده کردن مقادیر فشار و زمان بر روی نمودارهرنر (Horner) (شکل ۲) می‌توان نفوذپذیری، ضریب پوسته و فشار اولیه مخزن را بدست آوریم. البته لحاظ کردن زمان تولید قبل از تست نیز ضروری می‌باشد.مدت زمان بستن چاه بین ۲ تا ۳ روز است تا فشار در تمام قسمت‌های مخزن تقریبا یکی شود.
▪ drawdown test:
در تست drawdown عکس تست build up عمل می‌شود، به گونه‌ای که چاه بسته را با دبی ثابت برای تولید بازکرده و سپس با ثبت اطلاعات فشار و رسم نمودار داده‌های فشار در برابر زمان و آنالیز این نمودار، می‌توان مقادیر نفوذپذیری، ضریب پوسته، شکل مخزن و سطح تخلیه‌ی آن را به‌ دست آورد.این تست معمولا بلافاصله بعد از تست Build up ،که در طی آن چاه بسته است، انجام می‌شود.
در چاه‌آزمایی معمولی با داشتن خروجی (داده‌های فشار) و ورودی (دبی جریان)، برای به‌ دست آوردن سیستم مخزن (مقصود تمام خصوصیات مخزن شامل شکل مخزن، شکافدار یا غیر شکافدار بودن و...،است ) تلاش می‌شود .
در روش Convolution ابتدا یک سیستم برای مخزن حدس می‌زنیم و با استفاده از داده‌های ورودی، داده‌های خروجی را به‌دست می‌آوریم. این داده‌ها با داده‌های خروجی واقعی مقایسه می‌شوند و آن‌قدر سیستم را تغییر می‌دهند تا بهترین تشابه(Match) بین خروجی حاصل از محاسبه و خروجی‌های واقعی به‌دست آورند و آن سیستم را سیستم مخزن لحاظ می‌کنند.
در روش Deconvolution سیستم مخزن را حدس نمی‌زنیم اما با گزاردن محدودیت‌هایی برای سیستم، خروجی‌ها را به‌دست آورده و بعد از مقایسه با خروجی‌های واقعی می‌توان سیستم مخزن را به‌دست آورد.
▪ DST:
Drill stem test تست معمول و رایجی است که بیشتر مورد استفاده‌ی مهندس بهره‌برداری می‌باشد. این تست معمولاً بعد از عملیات حفاری انجام می‌شود.
در این تست دستگاه Drill stem را روی لوله حفاری می‌بندند. در پائین آن یک شیر کنترل قراردارد که هنگام پایین آمدن بسته است. دستگاه را به پائین چاه می‌فرستند درحالی که فشار داخل لوله خیلی کمتر از فشار هیدروستاتیک گل می‌باشد. پس از آن‌که دستگاه درمقابل مخزن قرارگرفت Packer (جداری‌ای لاستیکی که پس از باز شدن، فضای بین لوله و لوله‌ی جداری را مسدود می‌کند) را بازکرده تا فشار ستون گل را از روی مخزن بردارند و هم‌زمان شیر کنترل ورودی Drill Stem را بازمی‌کنند تا سیال وارد شود. پس از زمانی معین ، شیر را می‌بندند ودر تمام این مدت داده‌های فشارو زمان را ثبت می‌کنند این عمل باز و بسته کردن شیر را چندین بار انجام می‌دهند تا سیال تولیدی، همان سیال مخزن شود و عملاً جواب تست بهبود یابد. درواقع می‌توان گفت DST مجموعه چند تست drawdown و Build Up پیاپی می‌باشد.

تدوین: مهندس اصغرصادقی ـ دانشجوی کارشناسی‌ارشد مهندسی مخازن- هیدروکربوری دانشگاه صنعتی‌شریف ـ خبرنگار نفت سرویس مسایل راهبردی دفتر مطالعات خبرگزاری دانشجویان ایران(ISNA)

منبع : خبرگزاری ایسنا